package com.tys.algorithm.advanced.code.class05;


import java.util.Arrays;

/**
 * 快排：分两段、分三段、分三段+随机划分值
 */
public class Code02_PartitionAndQuickSort {

    //快排1：使用分两块方法递归排序
    public static void quickSort1(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process1(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    public static void process1(int[] arr, int L, int R) {
        if (L >= R) {
            return;
        }
        // L..R partition arr[R] [ <=arr[R] arr[R] >arr[R] ]
        int M = partition(arr, L, R); //分两块
        process1(arr, L, M - 1); //左组
        process1(arr, M + 1, R); //右组

    }

    // <= X > X
    // <= X X

    /**
     * 分两块问题：
     * 给定一个数组arr，和一个数num，请把小于等于num的数放在数组的左边，
     * 大于num的数放在数组的右边
     * <p>
     * 这里的num自动选择为最右的数字arr[R]
     */
    public static int partition(int[] arr, int L, int R) {
        //越界返回-1
        if (L > R) {
            return -1;
        }
        //一个数时直接返回
        if (L == R) {
            return L;
        }
        int lessEqual = L - 1; //<=区的起始位置
        int index = L; //当前位置
        //arr[L...R]上以arr[R]位置的数做为划分值
        //<=arr[R] 放左边
        //> arr[R] 放右边
        while (index < R) { //不能超过最右侧边界
            if (arr[index] <= arr[R]) { //当前值<=划分值
                swap(arr, index, ++lessEqual); //当前值与<=区下一个数交换，<=区右扩
            }
            index++; //当前值跳下一个
        }
        //划分值arr[R]属于<=区，所以需要把R扩进来
        swap(arr, ++lessEqual, R); //划分值arr[R]与<=区下一个数交换，<=区右扩
        return lessEqual; //返回<=区的边界
    }


    //快排2：使用分三块递归排序
    public static void quickSort2(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process2(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    // arr[L...R] 排有序，快排2.0方式
    public static void process2(int[] arr, int L, int R) {
        if (L >= R) {
            return;
        }
        // [ equalArea[0]  ,  equalArea[0]]
        int[] equalArea = netherlandsFlag(arr, L, R); //分三块得到等于区
        process2(arr, L, equalArea[0] - 1); //左组
        process2(arr, equalArea[1] + 1, R); //右组

    }

    /**
     * 荷兰国旗问题：分三块问题
     * 给定一个数组arr,和一个数num，请把小于num的数放在数组的左边，
     * 等于num的数放在数组的中间，大于num的数放在数组的右边。
     * 要求额外空间复杂度O(1)，时间复杂度O(N)
     * arr[L...R] 玩荷兰国旗问题的划分，以arr[R]做划分值
     *
     * 3中情况：<arr[R], ==arr[R], >arr[R]
     *
     * @return 返回等于区的左边界和右边界 [L,R]
     */
    public static int[] netherlandsFlag(int[] arr, int L, int R) {
        //2个base case
        //越界 L...R L>R
        if (L > R) {
            return new int[]{-1, -1};
        }
        //一个数
        if (L == R) {
            return new int[]{L, R};
        }

        int less = L - 1; //<区的右边界
        int more = R; //>区的左边界，最后一个数不参与独立出来，直接放在>区
        int index = L;//当前位置

        //arr[L...R] 上以arr[R]位置的数做为划分值
        while (index < more) { // 当前位置不能超过>区，不能和 >区的左边界撞上
            //3种情况
            if (arr[index] == arr[R]) { //当前值 == 划分值，当前数等于目标，直接跳下一个
                index++;//当前值跳下一个
            } else if (arr[index] < arr[R]) { //当前值 < 划分值，当前数小于目标
                // swap(arr, less + 1, index); //当前数和<区下一个数交换
                // less++; //小于区向右扩
                // index++;//当前数跳下一个
                //上面三行化简为一行代码
                //当前值与<区的下一个交换，<区向右扩，当前值跳下一个
                //左边交换的已经看过了，当前值跳下一个
                swap(arr, index++, ++less);
            } else { // 当前数 > 划分值，当前数大于目标
                //当前值与>区的前一个交换，>区向左扩，当前值不动
                //当前数和大于区前一个数交换，大于区向左扩，当前数不动
                // 右侧换过来的还没看，在原地看
                swap(arr, index, --more);
            }
        }
        //划分值属于等于区，划分值与>区交换
        swap(arr, more, R); // <[R]   =[R]   >[R] 大于区的第一个数和划分值交换，归位
        //返回等于区范围
        //less是小于区的最后一个，等于区的最后一个数是more，前面刚把属于等于区的划分值交换过来
        return new int[]{less + 1, more};
    }


    //快排3：加入随机划分值
    public static void quickSort3(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process3(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    public static void process3(int[] arr, int L, int R) {
        if (L >= R) {
            return;
        }
        //比2.0多的一行代码
        //随机选一个
        // 划分值随机
        // 从L...R中随机选一个值与最右值交换：因为是以最右值作为划分值
        swap(arr, L + (int) (Math.random() * (R - L + 1)), R);
        int[] equalArea = netherlandsFlag(arr, L, R);
        process3(arr, L, equalArea[0] - 1);
        process3(arr, equalArea[1] + 1, R);
    }

    //交换
    public static void swap(int[] arr, int i, int j) {
        int tmp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = tmp;
    }


    // for test
    //生成随机数组
    public static int[] generateRandomArray(int maxSize, int maxValue) {
        int[] arr = new int[(int) ((maxSize + 1) * Math.random())];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
        }
        return arr;
    }

    // for test
    //拷贝数组
    public static int[] copyArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return null;
        }
        int[] res = new int[arr.length];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            res[i] = arr[i];
        }
        return res;
    }

    // for test
    //对比两个数组是否相等
    public static boolean isEqual(int[] arr1, int[] arr2) {
        if ((arr1 == null && arr2 != null) || (arr1 != null && arr2 == null)) {
            return false;
        }
        if (arr1 == null && arr2 == null) {
            return true;
        }
        if (arr1.length != arr2.length) {
            return false;
        }
        for (int i = 0; i < arr1.length; i++) {
            if (arr1[i] != arr2[i]) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    // for test
    //打印数组
    public static void printArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    // for test
    public static void main(String[] args) {
        int testTime = 500000;
        int maxSize = 100;
        int maxValue = 100;
        boolean succeed = true;
        System.out.println("begin");
        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr0 = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
            int[] arr1 = copyArray(arr0);
            int[] arr2 = copyArray(arr0);
            int[] arr3 = copyArray(arr0);
            Arrays.sort(arr0);
            quickSort1(arr1);
            quickSort2(arr2);
            quickSort3(arr3);
            if (!isEqual(arr0, arr1)) {
                System.out.println("error arr1");
                succeed = false;
                break;
            }
            if (!isEqual(arr0, arr2)) {
                System.out.println("error arr2");
                succeed = false;
                break;
            }
            if (!isEqual(arr0, arr3)) {
                System.out.println("error arr3");
                succeed = false;
                break;
            }
        }
        System.out.println(succeed ? "Nice!" : "Oops!");
        System.out.println("end");
    }

}
